【無線射頻仿真】-HFSS15在基片集成波導(dǎo)單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)仿真中的應(yīng)用

1/1HFSS15在基片集成波導(dǎo)單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)仿真中的應(yīng)用1、前言

Hirokawa和Ando于1998年首先提出了基片集成波導(dǎo)（SubstrateIntegratedWaveguide,SIW），即在介質(zhì)基片中制作兩排金屬化通孔，與上下表面圍成準(zhǔn)封閉的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)，SIW體積小、重量輕；同時，相對于微帶線等傳統(tǒng)電路，SIW損耗小、輻射低。吳柯教授以及其他的專家學(xué)者對SIW進行了數(shù)值分析、建模及特性分析，并實現(xiàn)了各類高性能的器件，例如濾波器、定向耦合器、移相器、天線單元及陣列等。然而在實際工程應(yīng)用中，單一器件往往不能滿意系統(tǒng)需求，各組件、部件乃至各子系統(tǒng)一般都要求盡可能使用同一種傳輸線，從而保證內(nèi)部連接更為緊湊，使得損耗更小，性能穩(wěn)定。由于基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)包含大量金屬化圓孔，仿真軟件在仿真的時候，往往導(dǎo)致計算機內(nèi)存不夠而運行終止，或者占用內(nèi)存較大而降低仿真效率。

本文基于上述考慮，結(jié)合單脈沖網(wǎng)絡(luò)的項目需求，運用HFSS軟件，采納優(yōu)化設(shè)計模型，設(shè)計了基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)。在考慮到各項誤差后，測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，從而證明優(yōu)化模型在基片集成波導(dǎo)設(shè)計中的高效性，也證明HFSS在電路設(shè)計過程中的有用價值。

2、基于基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)

2.1、基片集成波導(dǎo)

圖1、基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

基片集成波導(dǎo)（Substrateintegratedwaveguide，SIW）是一種新的微波傳輸線形式，其利用金屬過孔或金屬柱，在介質(zhì)基片上實現(xiàn)波導(dǎo)的場傳播模式，如圖1所示。由于其傳播模式和傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相同，因此在電性能上，其等效為一段填充有介質(zhì)的金屬波導(dǎo)，等效寬度可由等效公式進行計算。

公式1等效寬度的計算公式

其中a為基片集成波導(dǎo)的寬度,W是金屬化孔間距，R是金屬化孔的半徑，而a為填充介質(zhì)的等效金屬波導(dǎo)寬度。為提高仿真效率同時防止電磁波從金屬化孔間泄露，一般取3RW4R。

2.2、單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)

圖2、單脈沖網(wǎng)絡(luò)

在機載和彈載系統(tǒng)中，廣泛采納平板式的單脈沖天線，如圖2所示。這種單脈沖天線在物理上被劃分成四個象限（1-4），每個象限射頻信息（E1-E4）通過多層饋電網(wǎng)絡(luò)合成后匯聚到單脈沖比較器（I-III），單脈沖比較器作為整個單脈沖天線的關(guān)鍵部件，把四個象限的射頻信號合成為一個和波束（E），兩個正交差波束（E、E）方向圖。

3、單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)的HFSS仿真

3.1、優(yōu)化模型

圖3、基片集成波導(dǎo)的網(wǎng)格劃分

大型基片集成波導(dǎo)電路往往金屬化孔的數(shù)量較多，這些金屬化孔是弧面。在HFSS中，為了保證仿真的精度，弧面所需的網(wǎng)格數(shù)量往往遠大于平面。圖3是工作在X波段的基片集成波導(dǎo)傳輸線?；瑢挾?4mm，金屬化孔的半徑為0.25mm，默認(rèn)的圓柱面的劃分為0，網(wǎng)格數(shù)量為19953，從圖中也可以明顯看出金屬化孔的區(qū)域自適應(yīng)的加密程度遠大于其它區(qū)域。

優(yōu)化模型的關(guān)鍵在于調(diào)整圓柱面的劃分?jǐn)?shù)量，從而使得網(wǎng)格的數(shù)量下降到計算機內(nèi)存可接受的程度，但是同時又要保證仿真的正確性。圖4是對圖3所示傳輸線進行仿真的結(jié)果，對于金屬化孔，默認(rèn)的圓弧面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為16。從圖4中可以看出隨著劃分?jǐn)?shù)量從16降低到6，網(wǎng)格劃分對應(yīng)的數(shù)量從19953降低到5455，而回波損耗的誤差約0.5dB左右，插入損耗誤差小于0.02dB，相位的誤差小于1度。當(dāng)然，不同簡單程度的模型對應(yīng)不同程度的誤差量級，因此兼顧到效率和運算精度，最終取圓弧面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為10。

圖4、圓弧面網(wǎng)格劃分不同數(shù)量下的仿真結(jié)果。a）回波損耗；b）插入損耗；c）相位差異；d）網(wǎng)格數(shù)量

3.2、設(shè)計實例

工程實際需求的基片集成波導(dǎo)單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)工作在Ku波段，它主要由四個3-dB電橋，四個90度移相器，以及四個1：8功率安排網(wǎng)絡(luò)組成，如圖5(a)所示。其中輸入口為端口1-4，共四個，1口為E，2口和3口分別為E和E，而4口稱為Q口，一般接匹配負(fù)載；輸出口為端口5-36，共32個。圖5(b)為整個系統(tǒng)在HFSS中的仿真模型，其中1-4口，SSMA水平輸入，5-36口SMP垂直輸出，基片集成波導(dǎo)主體電路通過基片集成波導(dǎo)/微帶過渡到同軸端口。設(shè)計的印制板采納厚度為1.016mm的RogersRT-6002，該介質(zhì)板介電常數(shù)為2.94，由于參雜了陶瓷粉，因此質(zhì)地較硬，同時相位的溫度穩(wěn)定性較好，特殊適合高頻使用。由于本設(shè)計要求工作在Ku波段，因此金屬化孔的半徑為0.2mm。采納IBM服務(wù)器X3650（2xE5620，64G內(nèi)存）最終經(jīng)過8次的迭代，如圖5(c)所示。

圖5、基片集成波導(dǎo)單脈沖網(wǎng)絡(luò)的原理圖(a)，仿真模型(b)，仿真收斂狀態(tài)(c)以及實物圖(d)

加工完成的實物圖如圖5(d)所示，整個饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸為146.5mm╳140mm，由于印制板和結(jié)構(gòu)件的公差協(xié)作，印制板的尺寸比結(jié)構(gòu)件的腔體要略微小一些，因此印制板和腔體壁之間有肯定的間隙，間隙的存在影響了系統(tǒng)的匹配，因次通過增加額外的調(diào)配手段(TuningPoint)，使得系統(tǒng)匹配。樣件的測試基于40GHz網(wǎng)絡(luò)分析儀，最終測試的結(jié)果，如圖6。

圖6、基片集成波導(dǎo)單脈沖網(wǎng)絡(luò)的測試和仿真對比結(jié)果：總端口回波損耗(a)，總端口間的隔離度(b)，分端口幅度均方差(c)以及分端口相位均方差(d)

4、結(jié)論

介紹了基片集成波導(dǎo)以及單脈沖天線的基本工作原理，并依據(jù)工程需求，利用優(yōu)化的金屬化孔模型，在保證仿真精度的前提下，使